Un peu de physique...

Le noyau atomique

L’existence du noyau atomique a été mis pour la première fois en évidence par Ernest Rutherford en 1911. Le noyau atomique concentre plus de 99,9 % de la masse de la matière dans un espace très réduit. Alors que la distance entre atomes s’exprime en angströms (10-10 m) la taille du noyau est de l’ordre du femtomètre, soit 10-15 m !

Les noyaux atomiques sont composés de nucléons, c’est-à-dire de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons sont des particules composites constituées de trois quarks : deux quarks up et un quark down pour le proton, un quark up et deux quarks down pour le neutron. C’est l’interaction forte qui assure la cohésion des nucléons. L’interaction forte est, comme son nom l’indique, la plus forte des interactions mais sa portée est très courte (de l’ordre du femtomètre également). L’interaction forte est décrite par la théorie de la chromodynamique quantique (QCD), une théorie de jauge dont les bosons sont les gluons.

Nota : l’interaction forte est beaucoup plus forte que la répulsion coulombienne et elle peut maintenir confinées des particules porteuses d’une charge électrique de signe identique.

Cohésion du noyau

La cohésion des noyaux est un « effet secondaire » de l’interaction forte. Protons et neutrons n’échangent pas de gluons entre eux car ils sont neutres du point de vue « couleur » (on donne le nom de couleur à la charge correspondant à l’interaction forte mais cela n’a rien à voir avec les couleurs de l’arc en ciel). Par contre ils échangent des pions. Les pions sont des mésons, des particules composites constituées d’un quark et d’un antiquark :

  • le pi+ comporte un quark up et un antiquark down,  
  • le pi- comporte un quark down et un antiquark up,  
  • le pi0 comporte un quark up et un antiquark up ou un quark down et un antiquark down.

Lorsqu’un proton échange un pion positif avec un neutron, le proton se transforme en neutron et le neutron en proton :

De même, lorsqu’un neutron échange un pion négatif avec un proton, le neutron se transforme en proton et le proton en neutron. Le noyau est donc un objet composite qui contient des nucléons et des pions. Au sein du noyau, les protons et les neutrons échangent leur rôle constamment. Ceci explique pourquoi le neutron, qui est instable (durée de vie 886 secondes), semble ne pas se désintégrer au sein du noyau. En fait, ce ne sont pas les neutrons qui sont stables individuellement, c’est le nombre de neutrons au sein du noyau qui est préservé. L’échange incessant de pions préserve les neutrons de la désintégration par interaction faible (sauf dans le cas d’isotopes radioactifs).

L’existence des pions a été prédite en 1935 par Hideki Yukawa et c’est en 1947 qu’ils ont été mis en évidence expérimentalement par Cecil Powell, César Lattes et Giuseppe Occhialini. Yukawa a reçu le prix Nobel en 1949.

Défaut de masse et énergie de liaison

Comme nous l’avons vu plus haut, en échangeant un pion pi+ ou un pion pi- protons et neutrons échangent leurs rôles : le proton devient neutron et le neutron devient proton. Cet échange permanent leur permet de trouver un état d’énergie plus favorable. En physique, on associe à cette configuration la notion de puits de potentiel. Dans le cas du noyau, le potentiel correspondant est appelé potentiel de Yukawa, ou encore potentiel de Coulomb écranté. (il fait écran à la répulsion coulombienne). Qui dit état d’énergie plus favorable dit masse plus faible. On appelle défaut de masse la quantité suivante :

A étant le nombre de nucléons, Z le nombre de protons (numéro atomique), mp la masse d’un proton, mn la masse d’un neutron et Mnoyau la masse du noyau. Ce défaut de masse correspond à l’énergie de liaison des nucléons entre eux.

C’est ce défaut de masse qui est à l’origine de l’énergie du Soleil. La fusion de quatre atomes d’hydrogène pour donner un atome d’hélium libère une énergie qui équivaut à 0,68 % de la masse de ces quatre atomes d’hydrogène. En une seconde, le cœur du Soleil fusionne 627 millions de tonnes d’hydrogène et transforme l’équivalent de 4,4 millions de tonnes de matière en énergie !

La figure qui suit donne l’énergie de liaison par nucléon au sein d’un noyau. L’énergie de liaison dépend du nombre de nucléons du noyau. On peut voir qu’elle est maximale pour le fer (26 protons, 30 neutrons). C’est ce qui explique l’abondance relative du fer dans l’Univers (ainsi que celle du nickel, 28 protons, qui est lui aussi très stable).

Au-delà de 60 nucléons par noyau, la courbe s’infléchit et se met à descendre. L’énergie de liaison par nucléon est donc moins grande… alors que la taille du noyau augmente. Les nucléons sont moins bien tenus entre eux. L’écrantage est moins efficace. Au-delà d’une certaine limite, le noyau n’est plus stable : il aura tendance à se désintégrer dans le temps (fission nucléaire). Ce phénomène porte le nom de radioactivité. Le degré de radioactivité est caractérisé par une grandeur physique que l’on appelle demi-vie. La demi-vie est le temps au bout duquel la moitié des atomes d’un élément radioactif se sont désintégrés. Le plomb (82 protons) est le dernier élément stable. Le Bismuth (Z = 83) qui le suit immédiatement dans le tableau de Mendeleïev est instable mais sa demi-vie dépasse l’âge de l’Univers ! Au-delà les choses changent très vite et certains éléments se désintègrent très rapidement.

Isotopes

On a coutume de classer les éléments chimique par ordre croissant de numéro atomique (c’est-à-dire par nombre de protons au sein du noyau). Mais qu’en est-il du nombre de neutrons ? A priori, aucune règle ne fixe le nombre de neutrons par proton même si on se doute qu’il ne peut pas être exagérément grand. Prenons l’atome de carbone, qui comporte 6 protons. La plupart des atomes de carbone (près de 99 %) comportent également 6 neutrons. Mais rien n’empêche qu’ils en comportent 5, 7 ou 8. Le 11C, le 13C et le fameux 14C existent dans la nature. Ce dernier est renommé du fait de son utilisation en archéologie pour dater les objets enfouis dans le sol (datation au carbone 14). Des atomes comportant un même nombre de protons et un nombre différent de neutrons sont appelés isotopes. Comme ils ont le même nombre de protons, ils ont des propriétés chimiques similaires. Ils ne présentent par contre pas tous la même stabilité. Si le 12C est stable, la demi-vie du 14C est de 5730 ans et celle du 11C n’est que de 20 minutes !

Nota : le chiffre qui précède le symbole chimique est le nombre de nucléons du noyau.

L’atome de carbone n’a que 6 protons, ce qui limite le nombre d’isotopes possible. Mais on ne connait pas moins de 20 isotopes du fer dont quatre sont stables (54Fe, 56Fe, 57Fe, 58Fe), le plus stable et le plus abondant étant le 56Fe.

Pour illustrer la stabilité des noyaux on utilise la notion de vallée de stabilité. Cette notion est basée sur un graphique en 3 dimensions qui représente en abscisse le numéro atomique, en ordonnée le nombre de nucléons et en z soit l’inverse de l’énergie de liaison soit la durée de vie du noyau. Il apparaît alors nettement une vallée (ou un chemin de crête dans le deuxième cas) qui correspond aux configurations les plus stables. Prenons l’exemple de l’iode-127 (53 protons, 74 neutrons). Pour un nombre de nucléons identique, l’iode-127 est plus stable que l’étain-127, un isotope de l’étain qui comporte 50 protons, 77 neutrons et qui présente un excédent d’énergie de masse de 7 MeV par rapport à l’iode. L’étain-127 va se transformer par radioactivité béta d’abord en antimoine-127, puis en tellure-127 et enfin en iode. Cette sensibilité au rapport entre le nombre de protons et le nombre de neutrons se comprend très bien si l’on se souvient de la nature de la force de cohésion : l’échange de pions entre nucléons. Il y a très clairement un configuration optimale protons vs. neutrons qui permet d’assurer la stabilité.

Modèle en couches et nombre magique

Jusqu’à présent, nous nous sommes intéressés au noyau considéré comme une entité plus ou moins stable et comportant Z protons et A-Z neutrons. Mais dans quel état d’énergie se trouvent ces protons et ces neutrons au sein du noyau ? En première approche, on a tendance à considérer qu’ils se trouvent tous dans le même état. Impossible : le noyau est régi par les lois de la mécanique quantique et le principe d’exclusion de Pauli l’interdit formellement ! Pour résoudre ce problème, des physiciens comme Eugene Wigner, Maria Mayer et Johannes Jensen ont proposé un modèle de couches qui fait penser à celui retenu pour décrire le comportement des électrons dans le nuage atomique. La justification de la répartition en couches d’énergie successives trouve son origine dans un couplage spin-orbite des nucléons dans le noyau. Comme dans le modèle électronique les couches se répartissent en sous-couches et comme dans le modèle électronique la saturation d’une couche confère au noyau des propriétés particulières, ici des propriétés de stabilité. Ce modèle présente l’avantage d’expliquer les nombres magiques. On a en effet remarqué que certains noyaux sont particulièrement stables par rapport à leurs « voisins ». Or ces noyaux sont caractérisés par un nombre de protons et de neutrons appartenant toujours à la série (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126). Ainsi par exemple :

  • Oxygène 16O : 8 protons, 8 neutrons
  • Calcium 40Ca : 20 protons, 20 neutrons
  • Nickel 48Ni : 28 protons, 20 neutrons
  • Plomb 208Pb : 82 protons, 126 neutrons
  • etc…

Le modèle des couches n’est pas parfait et des études approfondies sont en cours pour mieux comprendre la constitution des noyaux et leur forme. Ces études montrent que cette forme n’est pas toujours sphérique, loin s’en faut. Une équipe du CERN a montré récemment que certains noyaux atomiques pouvaient prendre une forme asymétrique comparable à celle d’une « poire » ! L’avenir nous réserve encore de belles surprises…

 

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